跨临界CO2热泵系统基于安全特性的极限充注量控制方法与流程

本发明属于热泵技术领域，特别涉及一种跨临界co2热泵系统基于安全特性的极限充注量的控制方法。

背景技术

随着经济的发展，能源成为人类赖以生存和发展的主要物质基础，而在世界各国，能源短缺问题日益明显，成为经济快速发展的障碍。节能、低碳作为当今社会发展的主流方向，指引着各行各业技术应用的发展方向。其次，环境问题同样制约着人类社会的快速发展，传统制冷剂对臭氧层的破坏和对全球气温别暖的影响备受关注。跨临界co2热泵系统在提供高温热水的同时，不仅环境友好，而且具有节约能源的特性，作为能源领域的发展方向，具有广阔的发展前景。

二氧化碳作为一种环保工质，且没有毒性，无可燃性，从这些方面，二氧化碳热泵机组的安全性是比较高的。然而，跨临界二氧化碳热泵系统的压力都是比较高的，较高压力的液体或者超临界工质具有非常大的爆炸潜能，当机组任何部件有损坏或有裂缝时，大量的高压液体工质或超临界状态工质发生沸腾膨胀爆炸现象。所谓沸腾膨胀爆炸，也称(boilingliquidexpandingvaporexplosion)bleve，就是当高压二氧化碳容器破裂情况下，大量的液体二氧化碳或超临界二氧化碳压力在瞬间释放，伴随着爆炸冲击波和高速溅射碎片，这种爆炸冲击波或高速溅射碎片往往会对周围环境或人员造成伤害。跨临界二氧化碳热泵多用于冬季采暖、商业供暖、热水等场合，因跨临界二氧化碳热泵工作区域建筑和人员的密集性，产生爆炸对周围环境和人员的伤害是比较大的。因此，必需控制热泵的极限充注量，从而控制热泵在极端条件下的最大爆炸能，控制对周围环境或人员产生伤害的程度。

现有的技术对这一方面的阐述尚不明确，跨临界二氧化碳热泵多带有储液罐，在这样的情况下，实际的充注量对系统循环性能的影响是不大的。而且，在实际工程上，关于跨临界二氧化碳热泵充注量的选择一般只考虑循环系统性能，多根据经验获得，而忽视了安全性层次考虑上的极限充注量。其是存在较大的安全隐患的，一旦具有大量液体或超临界状态的二氧化碳发生瞬间爆炸，对周围环境和人员产生的损害是不可预知的。这将导致跨临界二氧化碳热泵在人员密集性区域的应用受到限制。

确保跨临界二氧化碳的安全性，不仅对保护跨临界二氧化碳热泵工作区域周围环境和人员有重要的意义；对跨临界二氧化碳热泵及其类似应用系统的推广使用同样具有重要的意义。这样，在整个节约能源的社会背景下和保护生态环境迫在眉睫的情形下更显得非常有意义。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种跨临界co2热泵系统基于安全特性的极限充注量控制方法，确保跨临界二氧化碳热泵系统的最大爆炸能在可控的安全性之内，防止跨临界二氧化碳热泵系统在发生部件破损时，压力的瞬间释放，对周围环境和人员造成不可预知的伤害。本发明是基于安全特性，对跨临界co2热泵系统给出了一个极限充注量，在调节热泵充注量以调节性能的过程中，充注量不能超过这个极限值，否则一旦发生部件破裂，将产生不可控的危险。本发明可根据周围环境的可承受能力，有效的选择不同性能参数热泵的极限充注量，以达到安全的目的。

为达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种跨临界co2热泵系统基于安全特性的极限充注量控制方法，包括：

1)确定该跨临界二氧化碳热泵系统的性能参数：

根据冬季供暖标准工况确定co2热泵系统的制热量q/kw；

确定co2热泵系统的充注温度t/℃；

确定co2热泵系统周围环境所能承受的最大爆炸能e/kj；

跨临界co2热泵系统的安全极限充注量根据以下关联式计算获得：

最大爆炸能为40kj，极限充注量为:

m40≤(0.0001t²-0.008t+03708)·q/3.8kg，0℃≤t≤60℃

最大爆炸能为60kj，极限充注量为:

m60≤(0.00009t²-0.0105t+0.6076)·q/3.8kg，0℃≤t≤60℃

最大爆炸能为80kj，极限充注量为:

m80≤(0.00009t²-0.0122t+0.8269)·q/3.8kg，0℃≤t≤60℃。

进一步的，包括：

2)跨临界co2热泵系统在封闭空间运行，其极限充注量同时满足：m≤0.0668·vskg，其中，vs为封闭空间的体积/m³。

进一步的，包括：

3)跨临界co2热泵系统带有储液罐，其极限充注量同时满足：

最大爆炸能为40kj，极限充注量满足：

m40≤(0.0001t²-0.008t+03708)·vckg，0℃≤t≤60℃

最大爆炸能为60kj，极限充注量为:

m60≤(0.00009t²-0.0105t+0.6076)·vc，0℃≤t≤60℃

最大爆炸能为80kj，极限充注量为:

m80≤(0.00009t²-0.0122t+0.8269)·vckg，0℃≤t≤60℃

其中vc为储液罐的容积/l。

进一步的，包括：

4)如果临界co2热泵系统能够承受最大爆炸能40kj＜e＜60kj，极限充注量满足：

m≤(e-40)/20·m60+(60-e)/20·m40kg；

如果临界co2热泵系统能够承受最大爆炸能60kj＜e＜80kj,极限充注量满足：

m≤(e-60)/20·m80+(80-e)/20·m60kg。

进一步的，根据所确定的极限充注量对跨临界co2热泵系统充注等于或者小于极限充注量的co2。

进一步的，所述跨临界co2热泵系统，包括依次连接的压缩机、蒸发器、气体冷却器、储液罐和节流装置。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：

现有的跨临界二氧化碳热泵的充注量的控制方法都集中在性能判断层面上，或者是基于性能判断的充注量控制方法，或者是如何有效的充注。目前，并没有考虑二氧化碳热泵安全性方面的相关专利，虽然二氧化碳无毒且不可燃，但是跨临界二氧化碳热泵其运行压力较高，任何部件的破裂都将导致压力的瞬间释放，大量的液体工质或超临界工质在短时间内释放压力，造成巨大的冲击波，爆炸冲击波对周围环境和人员都将产生较大的伤害。因此，有必要对跨临界二氧化碳热泵在基于安全层面上的极限充注量给出一个控制方法，从而保证跨临界二氧化碳热泵的在极端状态下的爆炸能在安全范围之内。这不仅对跨临界二氧化碳热泵的应用安全性有重要的作用，对跨临界二氧化碳热泵的进一步推广使用更有重要的作用。

附图说明

图1为跨临界二氧化碳热泵的系统循环图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种跨临界co2热泵系统基于安全特性的极限充注量控制方法，基于一种跨临界co2热泵系统，其包括依次连接的压缩机1、蒸发器2、气体冷却器3、储液罐4、节流装置5。虽然二氧化碳没有毒性，且不可燃，但是跨临界二氧化碳热泵系统的压力是比较高的，一旦任何部件发生破裂，大量的液体工质或超临界工质瞬间释放压力，产生爆炸冲击波，对周围环境和人员造成不可预知的伤害，因此，有必要控制跨临界co2热泵系统中二氧化碳的充注量，使得在极端情况下，二氧化碳的爆炸危害在安全范围之内。目前在热泵的充注过程中，充注量的选择一般只是考虑对性能的影响，通过实验调试等手段。而忽略了对安全性的考虑，现有技术针对安全性的考虑也只是在设备结构强度层面上，并未考虑一旦发生部件破裂，充注量对危害程度的影响，但是co2热泵的高压力，一旦发生爆炸，具有一定的破环性，因此，有必要基于安全角度，在不同的范围内给出一个极限充注量，而使得在性能调节过程中，不能超过这个充注量。本发明通过以下步骤确定跨临界二氧化碳热泵系统的极限充注量：

第一步：

首先依次确定该跨临界二氧化碳热泵系统的性能参数：

1、根据冬季供暖标准工况确定co2热泵系统的制热量q/kw；

2、确定co2热泵系统的充注温度t/℃；

3、确定co2热泵系统周围环境所能承受的最大爆炸能e/kj；

4、跨临界co2热泵系统的安全极限充注量根据以下关联式计算获得，以下关联式是通过建立以浓度和温度为区间变量、爆炸能为变量产生值的三维数据库；之后依次确定所有爆炸能为40kj、60kj、80kj下的浓度与温度的函数关系，而跨临界二氧化碳热泵的制热量与热泵工作容积的比值为3.8，因此，可以得到，充注量关于充注温度和跨临界二氧化碳热泵制热量的关联式，依次如下：

最大爆炸能为40kj，极限充注量为:

m40≤(0.0001t²-0.008t+03708)·q/3.8kg，0℃≤t≤60℃

最大爆炸能为60kj，极限充注量为:

m60≤(0.00009t²-0.0105t+0.6076)·q/3.8kg，0℃≤t≤60℃

最大爆炸能为80kj，极限充注量为:

m80≤(0.00009t²-0.0122t+0.8269)·q/3.8kg，0℃≤t≤60℃

第二步：考虑在封闭空间运行的二氧化碳热泵系统，二氧化碳在不知情的情况下全部泄漏，实验人员进入该封闭空间时，会导致窒息，甚至死亡。因此，考虑极端条件下，二氧化碳全部泄漏，封闭空间内的二氧化碳浓度要小于人体可承受的极限浓度。考虑到二氧化碳全部泄漏至封闭大空间，其密度按大气压下密度计算，则热泵系统的极限充注量同时满足：m≤0.0668·vskg，其中vs为封闭空间的体积/m³。

第三步：二氧化碳热泵在停机状态下，工质发生迁移，大量的液体工质流入储液罐，考虑极端情况下，所有工质迁移至储液罐，即使在这种情况下，储液罐发生破损，引起的爆炸能量同样在安全范围之内，则跨临界二氧化碳热泵系统的极限充注量同时满足：

最大爆炸能为40kj，极限充注量满足：

m40≤(0.0001t²-0.008t+03708)·vckg，0℃≤t≤60℃

最大爆炸能为60kj，极限充注量为:

m60≤(0.00009t²-0.0105t+0.6076)·vc，0℃≤t≤60℃

最大爆炸能为80kj，极限充注量为:

m80≤(0.00009t²-0.0122t+0.8269)·vckg，0℃≤t≤60℃

其中vc为储液罐的容积/l。

极限充注量要同时满足以上三步所确定的极限充注量。

第四步，若跨临界二氧化碳热泵最终所确定的安全爆炸能极限不为第一步中所提到的三种情况，则极限充注量按下式给出：

可承受最大爆炸能40kj＜e＜60kj,极限充注量满足：

m≤(e-40)/20·m60+(60-e)/20·m40kg；

可承受最大爆炸能60kj＜e＜80kj,极限充注量满足：

m≤(e-60)/20·m80+(80-e)/20·m60kg。